面向双保证率的超采区供水水源水资源优化配置运用研究

闫 强,王 燕

(太原理工大学建筑设计研究院有限公司，山西 太原 030024)

山西省地下水超采区分布范围中划定汾阳市郭庄泉域超采区面积93km2，其中严重超采区面积32km2[1]。以2001—2010年动态资料为依据划分超采区范围，超采区年均可开采量250万m3，年均实际开采量约400万m3；2011—2020年杏花村酒业集中发展区新增地下水开采量接近60万m3，则目前地下水超采水量接近200万m3，开采系数远大于1.2，超采严重。

根据《水利部关于黄河流域水资源超载地区暂停新增取水许可的通知》(水资管〔2020〕280号)[2]，为退出水资源超载地区，优化超采区供水水源水资源配置，为超采区提供置换水源显得尤为重要。本文分析范围为汾阳市峪道河镇、杏花村镇及汾阳市城区。规划基准年为2020年，规划水平年为2035年。

1 马刨神泉概况

1.1 地理概况

马刨神泉出露于汾阳市西北20km，海拔1150.88m，属中山地貌类型，泉域面积约200km2。北部边界：汾阳市与文水县县界(头道川与二道川分水岭)，海拔1969.0～1684.0m，西高东低；西部边界：汾阳市与离石区区界(石崖南至头道南川拐岭底村西南)，海拔2043.8～1856.0m，北高南低；南部边界：分为2段，西段为头道南川与三十里桃花洞之间的分水岭，海拔1851.0～1240.0m，西高东低，东段自冯家山底村以北1km沿神头断层至敖坡以北；东部边界：自王虎庄村东至敖坡村以北(太古界片麻岩震旦系石英砂岩与寒武系接触线)，海拔1683.0～1250.0m。

1.2 可供水量分析

1.2.1年径流量插补延长

收集到马刨神泉1955—2005年的实测年径流量、相同地质单元中的交口雨量站实测2005—2020年的降雨量，详见表1。利用1956—2005年降雨量～径流量建立相关关系，用降雨量插补2006—2020年泉水径流量[3]。

表1 交口站降水量、马刨神泉实测径流量统计表

根据泉域水文地质条件，降水入渗是泉水主要补给来源，当年降水量可影响泉水流量。此外，经过大气降水、入渗，以及受复杂地下水动力条件影响，降水量对泉水流量的影响往往具有时滞性。对当年降雨量、前期(前1年、2年)降水量与年泉水径流量的多元线性回归分析[4]，比选出当年、前1年的降水量与年泉径流量具有更好的相关关系[5]，回归方程式为：

Yi=311.0572-0.1107Xi+1.4584Xi-1

(1)

式中，Yi—需要预测的第i年泉水年径流量，万m3；X—实测第i年交口站降水量，mm；Xi-1—实测第i-1年交口站降水量，mm。得马刨神泉2006—2020年泉水径流量预测值，见表2。

表2 马刨神泉2006—2020年泉水径流量预测值统计表

经统计检验，r>4Er且r=0.8053>0.8，说明泉水年径流量与当年和前1年降雨量复相关关系成立[6]。

1.2.2双保证率径流量

分别对马刨神泉1956—2005年实测系列和1956—2020年延长系列作频率分析，计算其50%、95%保证率径流量。50%保证率下，后者较前者增加6.68万m3；95%保证率下，后者较前者增加51.65万m3，详见表3。

表3 马刨神泉双保证率年泉水径流量统计表

1.3 水资源利用现状

根据(晋吕)字[2017]第00007号取水许可证，农业灌溉、乡村生活水量760万m3/年；近5年新增未批复的城镇生活补充备用水量为200万m3/年。P=50%保证率下暂不考虑生态，工业置换可引用水量1055.33-760-200=95.33万m3，远小于超采区超采水量200万m3/a。

经调查，2016—2020年农业灌溉平均用水量为386.44万m3、乡村生活平均用水量为18.19万m3，合计404.62万m3，远小于批复水量760万m3，详见表4。马刨神泉用水对象及用水量变化为新增置换工业用水提供了可能。

表4 2016～2020年农业、乡村生活现状用水统计表

1.4 水质

经检测水质各项指标均符合GB 5749—2006《生活饮用水卫生标准》，可作为各用水户供水水源。

2 需水量合理性分析

用水户主要为已批复的乡村生活、农业灌溉，未批复的城镇生活补充备用，在保证生态用水前提下拟新增工业置换用水。供水优先顺序为乡村生活、农业灌溉、城镇生活补充备用、河道生态、工业置换。

2.1 乡村生活需水

现状受益村庄为18村，用水保证率为95%，规划年限为15年、人口增长率按6‰确定农村供水人口，则2035年规划供水人口为1.16万人。

乡村生活用水量包括居民生活用水量和牲畜用水量，居民用水指标按70L/p·d，牲畜用水指标按50L/头·d，则农村生活用水量为Q1=812.85+40.55=853.40m3/d；按10%计算漏失率，漏损水量Q2为85.34m3/d；则农村日用水量Q3=Q1+Q2=812.85+40.55+85.34=938.74m3/d、年用水量为26.36万m3。

2.2 农业灌溉需水

峪道河灌区是汾阳市最大的泉水自流灌区，设计灌溉面积5.07万亩，现状有效灌溉面积3.44万亩(其中与文峪河灌区重复1.34万亩)，分为单源片区1.5万亩、二源片区0.6万亩、三源片区1.34万亩。单源指灌溉水源为马刨神泉，二源指灌溉水源为马刨神泉和机井，三源指灌溉水源为马刨神泉、机井和永田渠。

灌区作物主要为玉米、高粱、谷子、经济作物、核桃、复播等，灌溉设计保证率取50%。作物灌溉水量采用水量平衡分析法初算灌溉定额计算值[7]，并参照《山西省用水定额(第1部分)》农业灌溉定额值合理确定采用值，详见表5。

表5 50%灌溉定额计算表

灌溉水利用系数根据灌区大小、水源情况、管渠系布置以及管渠长度、土质、防渗措施和管理水平等因素综合确定。田间水利用系数取0.9，管道水利用系数取0.95，则管灌灌溉水利用系数为0.855。

50%保证率下，灌区灌溉最大流量0.226m3/s、灌溉用水量386.47万m3/a；95%保证率下，根据《山西省抗旱应急水源工程实施方案》，一般最低控制在20～40m3/亩。按40m3/亩计算灌溉用水量3.44×40÷0.855=160.94万m3/a。

2.3 城镇生活补充备用需水

城镇生活用水由汾阳市自来水公司供水，水厂始建于60年代，以机井取水为主，担负着城区10万人及市区周边14个行政村的生产、生活用水。但水厂机井距离超采区约6km，可供水量受到影响。目前用水量增加，机井高峰期或干旱期供水不足，供水保证率降低。马刨神泉作为自来水厂的补充水源将大大缓解该地区供水矛盾，补充备用水保证率不得低于95%。

2016—2020年汾阳市城镇居民生活综合用水指标均值为129.32L/(p·d)，2016年最大为135.67L/(p·d)，2017年最小为113.90L/(p·d)，结合长远规划并调查先进值确定综合用水指标为150L/(p·d)，满足山西用水定额要求。

根据《汾阳市城市总体规划(2012—2030)》中城市人口增长率9.6‰，则2035年供水人口为10.94万人；根据《山西省抗旱应急水源工程实施方案》中补充备用水源不低于正常供水能力的20%～30%，按30%考虑得城镇居民补充备用生活用水量Q1为179.67万m3/a，漏损率按10%考虑Q2为17.97万m3/a，则补充备用年用水量Q3=Q1+Q2=179.67+17.97=197.64m3/a。

2.4 河道生态需水

根据GBT 51051—2014《水资源规划规范》[8]中6.8.3条款和SL/Z 479—2010《河湖生态需水评估导则》[9]中5.3条款计算基本生态环境需水流量，保证率为50%。因泉水流量全年较为平均，综合Tennant法和90%保证率法考虑。

90%保证率法下最枯月平均流量为0.198m3/s，综合Tennant法确定生态流量占比为22%，则生态基本流量为0.198×0.22=0.043m3/s，年用水量为137.05万m3/a，在95%保证率时将不考虑生态用水，优先供给其他用水户。

2.5 工业置换需水

根据相关批复，工业置换水量200万m3，保证率95%，考虑漏损后引水规模为226.28万m3(漏损系数13%)，平均引水流量0.072m3/s。该工程实施后，可关闭和压采水井9眼，其中封堵5眼、封存3眼、压采1眼。对水源来水流量和各用水户用水流量进行日调节，经统计分析灌溉高峰期工业用水需设置2万m3蓄水池，调蓄过程汇总见表6。

表6 灌溉高峰期置换工业用水调蓄分析统计表

3 水资源优化配置

乡村生活、城镇生活补充备用、工业置换用水保证率为95%；农业灌溉和生态用水保证率为50%，马刨神泉作为峪道河灌区的主要水源，在95%保证率下还需保证作物播种期和生长关键期最基本用水。

在P=50%保证率下，马刨神泉可供水量1055.33万m3/a，各用水户总需水量836.75万m3/a，剩余水量218.58万m3/a可满足河道生态需水137.05万m3/a；在P=95%保证率下，不考虑河道生态用水，马刨神泉可供水量为625.43万m3/a，各用水户总需水量611.22万m3/a，剩余水量14.21万m3/a。综上，面向双保证率条件下通过优化配置可满足各用水户的需水要求，详见表7。

表7 双保证率水资源优化配置表 单位：万m3·a-1

4 结语

可供水量分析中建立了1956—2005年的降雨量-径流量多元线性回归模型，使来水量系列延长为1956—2020年，延长系列来水量较原有系列50%、95%保证率分别增加6.68万、51.65万m3，增幅分别为6.4‰、9%，表明2006—2020年期间代表的偏枯年份来水量增加较大。经检验，多元线性回归模型虽满足相关统计参数要求，但相关系数r=0.8053>0.8尚有较大提升空间，在后续相关研究中，应改进完善回归模型，以获取更好的插补延长效果与精度。

在保证生态用水基础上，通过近5年横向调查分析优化了城乡生活、农业用水指标，在灌溉高峰期利用2万m3调蓄水池合理调用水量保证工业用水流量，面向双保证率合理配置了超采区供水水源，提高了区域地表水利用系数，降低了水资源的浪费；可明显减缓超采区地下水过渡开采，有效缓解地下水水位下降造成的地质灾害、水环境灾害，促进区域经济发展，为类似资源环境承载力地区提供了相对可行的借鉴经验。